Fényforrások Fény (foton) kibocsátás: lktromos töltésk sbsségváltozása révén. Trmikus (fkt) sugárzó: magas hőmérséklt foton misszió Elktromos kisülés: Félvztő fényforrás: injkciós lktroluminszcncia Lézr (kohrns): indukált misszió + kohrns rősítés Trmikus fényforrás: Abszolút fkt tst: Stfan-Boltzmann-tv. 2 4 M [Wm ] = σt tot Win-tv. λmax T = 2898 [µm K] Planck-tv. 2 2c h L( λ) = 5 hc/ λ k ( B T λ 1) E hatására gáztérbn ütközési ionizáció L(λ) 1
Izzóláma (W-halogén láma): szürksugárzó (IR-tartalom kisbb) kvarc búra; 2700-3200 (3600) K színhőmérséklt (élttartam fordítottan arányos); 3,5 P ki U ~ b Kisülési (sktrál-) láma: alagáz + adalékolás + 2 lktróda (W) Működés: I katódból trmikus lktronmisszió, U (E) ütközési ionizáció (lazma), másodlagos misszió: katódba bcsaódó ionok. Alacsony nyomású: rkombináció valószínűség kicsi arázs (glimm-) kisülés (állandó U és J, kis T) non (hélium) töltés: hidg lktródás iros (narancs) kisülés fluorszcns láma: kisülés + fluorszkáló rétg (P) üvgn (UV gátlás) Magas nyomású: nyomás gyártástól nagy vagy működés közbn nő nagy E másodlagos trmikus misszió (T nő) ívkisülés rövid (komakt) ívláma: 1-15 mm lktródaköz (Hg, X) fém-halid láma: 5-14 mm, 5600 K, kis kibocsátott hő (l. vtítő) hosszú ívláma: (Kr, X) UV-IR, 2-5 kw tljsítmény (l. umálás) 2
Sktrálláma: + kskny sávszűrő (intrfrnciaszűrő) sktroszkóia, fluorszcns mikroszkóia, orvosi, kémiai analízis nagynyomású Hg-ívláma: 3
Félvztő fényforrás: nyitóirányban lőfszíttt -n átmnt lktron lyuk ár gnrálás nagy számú sontán rkombináció (indukált lktroluminszcncia). light mitting smiconductor otical smiconductor diod (LED): amlifir (SOA): injction lasr V >V th foton-indukált misszió SOA+visszacsatolás V 4
LED: töltéshordozó-injkció hatására kialakuló foton fluxus (d /dt): Φ blső kvantumhatásfok térfogat rkombinációs ráta (sugárzó) Sktrális (foton)sűrűség [s 1 Hz 1 m 3 ]: = η i wa( n / τ ) = wa( n / τ r ) = ηi iinj / ν FWHM N ( i r η =τ / τ ) 1,8k B h T Enrgia diagram: sontán misszió umált félvztő T = 0 K T > 0 K 5
LED aramétrk: Kimnő fluxus: Φ Kimnő tljsítmény: Mrdkség: R = P Sktrális loszlás: o = η Φ = ηη i i inj / = ηx iinj / transzmissziós és külső hatásfok P = hν o Φ o o / iinj =ηx (1,24/ λo [µm ] ) R Rakcióidő (rsons tim) ~ τ r 1-50 ns Eszköz kialakítások: flülti v. élsugárzó 6
SOA: töltéshordozó-injkció hatására kialakuló invrz ouláció foton-indukált misszió. Előnyök: intgrálható, kis mért, kis rakcióidő (~10 THz sávszélsség). Hátrányok: nagy bcsatolási vsztség (3-5 db/oldal), SOA aramétrk: T instabilitás, olarizáció-érzékny. Erősítés: foton töltéshordozó kölcsönhatás, ha hν > E g abszorció lktron lyuk ár gnrálás indukált rkombináció több foton kohrns otikai rősítés. 7
SOA umálás: otikai umálás (hν > Eg ) állandósult invrz ouláció, ha sávbli rlaxációs idő<<sávközi rlaxációs idő. umálás árammal: nyitóirányú lőfszítés. Erősítés: G = x( γ d) G > 1, ha γ csúcsrősítési gyüttható: γ > 0 n J α 1 = α 1 nt JT J T l = n η τ i T átlátszósági áramsűrűség r l. InGaAs SOA: T=300 K, τ r =2,5 ns, η i =0,5 l=2 µm, d=200 µm, n T =1,25 10 18 cm 3 J T =3,2 10 4 A/cm 2, i T =J T A=640 ma. Ha J =3,5 10 4 A/cm 2 G 3. 8
J csökkn, ha l csökkn. Probléma: kis l-ből a töltéshordozók kidiffundálnak. Mgoldás: J T csökkntés htrostruktúrás félvztővl: l. --n kttős htroátmnt: E g2 < E g1 = E g3 Egynsúlyban az E f Frmi-szintk kigynlítődnk a vztési sáv élsn csökkn a - határon, a vgyérték sáv élsn csökkn a -n határon. Nyitóirányú lőfszítés n flől injktált kisbbségi lktronok nm jutnak át a - otnciálgáton, flől injktált kisbbségi lyukak nm jutnak át a -n otnciálgáton közös tartományban maradnak rkombinációs cntrum, (τ r csökkn a közéső tartományban) 9
Félvztő lézr: töltéshordozó-injkció invrz ouláció foton-indukált, rősíttt misszió + visszacsatolás lézr oszcilláció. Lézrdióda aramétrk: Erősítés: γ α ( J / J Visszacsatolás: n R 1 2 1 =, α m n + 1 = d n GaAs =3,6 R=0,32 T 1) 1 ln R Rzonátor vsztség: rflxiós (α m ), töltéshord. abszorció/szóródás (α s ), töltéshord.+fotonok átmnti tartományban tartása (confinmnt, Γ) 1 α r = ( α s + α m) Γ széls-tartományú, rősítésvzttt, törésmutató-vzttt tíus: homoátmnt htroátmnt 10
Küszöbáram: J Kimnő fluxus: th Φ α +α = α o r J T missziós hatásfok = η Φ = η η ( i ith ) / i Kimnő tljsítmény: P = hν o Φ o Diffrnciális mrdkség: d Po R = di 1,24 =η ηi = ηd λ o [µm] 1,24 λ o [µm] diffrnciális kvantumhatásfok R 11
Fotodtktorok Fotodtktor: fotonszámot (fluxust) v. otikai tljsítményt mér az lnylt fotonok nrgiájának konvrziójával. (Foto)trmikus dt. foton hő (lassú, kis hatásfok) Fotokémiai dt. foton kémiai rakció (film) Fotolktromos dt. foton mobil töltéshordozó E hatására áram Fotoffktus: külső fotolktron misszió, blső fotovztés fém félvztő 12
Fotolktron misszió: fotokatód, fotolktron cső, fotosokszorozó (másodlagos misszió), mikrocsatornás lmz (MCP), kérősítő (MCP + lktroluminszcns foszfor rétg) 13
Fotokonduktivitás: Foton abszorció lktron lyuk ár gnrálás E hatására transzort. Nagy E ütközési ionizáció blső rősítés (lavina fotodióda APD). Félvztő fotodtktorok tulajdonságai: Kvantumhatásfok: η = ( 1 R) ζ [1 x( αd )], 0 < η < 1 flülti rflxió bhatolási mélység nm rkombinálódó töltéshord. árok aránya abszorciós tényző η = f ( λ ), λ max = hc/ E g Mrdkség: (rsonsivity) i = η qφ = η G Φ P = Gη 1,24 fotoáram foton fluxus rősítés otikai tljsítmény η G = h f λ 0 [µm] P = RP 14
Rakcióidő (rsons tim) áthaladási idő szóródás i( t) = q w v( t) i( t) Vdt = qe d x E = V/ w, v( t) = d x /dt Elktron lyuk ár gnrálás x-bn: N számú, 0<x<w között gynltsn loszló foton által gnrált lktron lyuk árok szállította áram és áthaladási idő szóródás: v = µ E, vh = µ he vh x v w x q = + = w v w v h τ τ h 15
16 Állandósult állaot: rkombináció = gnráció fotolktron koncntráció rkombinációs élttartam térfogat Dtktor tíusok: Fotokonduktor: i vagy u = i R L érzéklés. ) /( / wa Φ n τ =η h h h GΦ Φ i w v E J Φ wa n η τ τ η τ µ µ σ µ µ ητ µ µ σ s 10 /,, ) ( ) ( 8 = = << = + = + =
Fotodióda: gyorsabb, mint a fotovztő, d rősítés nélkül. -n fotodióda (InGaAs, InGaAsP; η 0,6-0,8) Az érzéklési tartomány értlmzés: általános i-v karaktrisztika: 17
-n fotodióda üzmmódok: szakadás (fotovoltaikus): rövidr zárt: záróirányú (fotokonduktív): 18
-i-n fotodióda intrinsic rétg a kiüríttt tartomány növlésér: fényérzékny tartomány nő, átmnti kaacitás csökkn (d áthaladási idő nő), drift hossz nő (gyorsabb transzort) a diffúziós hossz rovására. Lggyakoribb anyag: Si (λ amx 1,1 µm, η 1) 19
Mátrix dtktorok: charg could dvic (CCD) töltésk kiléttés többfázisú órajlll ( vödörlánc ) intgrálási idő ixlmért/-szám dinamika-tartomány (lináris válasz) 2 i jl/zaj viszony: SNR 2 σ ( i ) min. dtktálható jl: SNR=1 anti-blooming full-fram CTE (charg transfr ffifincy) 20
Tiikus CCD vonaldtktor és órajli: korrlált kttős mintavétl MCLK φ 1 φ 2 5T 5T φ AB T φ TG 5T 25T 5T φ PG 23T φ RG V out D20 I 1 I 2 I 3 D 1 D 2 D 3 CDS1 CDS2 21
Lavina fotodióda (APD): nagy záróirányú lőfszítés nagy E a kiüríttt tartományban foton hatására gyorsuló töltéshordozók ütközési ionizáció révén még több töltéshordozót szabadítanak fl. A visszacsatolás roblémái: időigénys folyamat, statisztikus zaj nő, instabil lavinaltörés; mgoldás: csak gyfél töltéshordozóval üzmlttni. többrétgű APD 22